Ytterbium fiber lazer: cihaz, çalışma prensibi, güç, üretim, uygulama

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-17 10:43

Fiber lazerler kompakt ve dayanıklıdır, hassas bir şekilde işaret eder ve termal enerjiyi kolayca dağıtır. Çeşitli biçimlerde gelirler ve diğer optik kuantum üreteç türleriyle pek çok ortak noktaları olsa da kendilerine özgü avantajları vardır.

Fiber lazerler: nasıl çalışırlar

Bu tür cihazlar, bir çubuk, plaka veya disk yerine fiberden yapılmış bir çalışma ortamına sahip standart katı hal uyumlu radyasyon kaynağının bir varyasyonudur. Işık, fiberin merkezindeki bir katkı maddesi tarafından üretilir. Temel yapı, basitten oldukça karmaşıka kadar değişebilir. İtterbiyum fiber lazerin tasarımı, fiberin büyük bir yüzey-hacim oranına sahip olacağı şekildedir, bu nedenle ısı nispeten kolay bir şekilde dağıtılabilir.

Fiber lazerler, çoğunlukla diyot kuantum jeneratörleri tarafından, ancak bazı durumlarda aynı kaynaklar tarafından optik olarak pompalanır. Bu sistemlerde kullanılan optikler, çoğu veya tamamı birbirine bağlı olan tipik olarak fiber bileşenlerdir. Bazı durumlardahacimsel optikler kullanılır ve bazen dahili bir fiber optik sistem, harici hacimsel optiklerle birleştirilir.

Diyot pompalamanın kaynağı bir diyot, bir matris veya her biri bir fiber optik ışık kılavuzu ile bir konektöre bağlanan çok sayıda bağımsız diyot olabilir. Katkılı fiberin her iki ucunda bir boşluk rezonatör aynası vardır - pratikte, fiberde Bragg ızgaraları yapılır. Çıkış ışını fiberden başka bir şeye girmedikçe, uçlarda toplu optik yoktur. Işık kılavuzu bükülebilir, böylece istenirse lazer boşluğu birkaç metre uzunluğunda olabilir.

Çift çekirdek yapısı

Fiber lazerlerde kullanılan fiberin yapısı önemlidir. En yaygın geometri çift çekirdekli yapıdır. Katkısız dış çekirdek (bazen iç kaplama olarak da adlandırılır) pompalanan ışığı toplar ve fiber boyunca yönlendirir. Fiberde üretilen uyarılmış emisyon, genellikle tek modlu olan iç çekirdekten geçer. İç çekirdek, pompa ışık demeti tarafından uyarılan bir iterbiyum katkı maddesi içerir. Dış çekirdeğin altıgen, D-şekilli ve dikdörtgen dahil olmak üzere birçok dairesel olmayan şekli vardır ve bunlar merkezi çekirdekten ışık hüzmesinin kaybolması olasılığını az altır.

Fiber lazer uçtan veya yandan pompalanabilir. İlk durumda, bir veya daha fazla kaynaktan gelen ışık, fiberin ucuna girer. Yan pompalamada, ışık, onu dış çekirdeğe besleyen bir ayırıcıya beslenir. BTışığın eksene dik girdiği çubuk lazerden farklıdır.

Bu çözüm çok fazla tasarım geliştirme gerektiriyor. İç çekirdekte uyarılmış emisyona yol açan bir popülasyon inversiyonu üretmek için pompa ışığının çekirdeğe sürülmesine büyük önem verilir. Lazer çekirdeği, fiberin dopingine ve ayrıca uzunluğuna bağlı olarak farklı bir amplifikasyon derecesine sahip olabilir. Bu faktörler, gerekli parametreleri elde etmek için tasarım mühendisi tarafından ayarlanır.

Özellikle tek modlu fiber içinde çalışırken güç sınırlamaları meydana gelebilir. Böyle bir çekirdeğin çok küçük bir kesit alanı vardır ve bunun sonucunda çok yüksek yoğunluklu ışık içinden geçer. Aynı zamanda, lineer olmayan Brillouin saçılması giderek daha belirgin hale gelir ve bu da çıkış gücünü birkaç bin watt ile sınırlar. Çıkış sinyali yeterince yüksekse fiberin ucu zarar görebilir.

Fiber lazerlerin özellikleri

Çalışma ortamı olarak fiber kullanmak, diyot pompalama ile iyi çalışan uzun bir etkileşim uzunluğu sağlar. Bu geometri, yüksek foton dönüştürme verimliliğinin yanı sıra, ayarlanacak veya hizalanacak ayrı optiklerin olmadığı sağlam ve kompakt bir tasarımla sonuçlanır.

Cihazının iyi uyum sağlamasına izin veren fiber lazer, hem kalın metal levhaların kaynağı için hem de femtosaniye darbeleri üretmek için uyarlanabilir. Fiber optik amplifikatörler, tek geçişli amplifikasyon sağlar ve aynı anda birçok dalga boyunu yükseltebildikleri için telekomünikasyonda kullanılır. Aynı kazanç, ana osilatörlü güç amplifikatörlerinde de kullanılır. Bazı durumlarda, amplifikatör bir CW lazer ile çalışabilir.

Başka bir örnek, uyarılmış emisyonun bastırıldığı fiber ile güçlendirilmiş spontan emisyon kaynaklarıdır. Başka bir örnek, dalga boyunu önemli ölçüde değiştiren kombine saçılma amplifikasyonuna sahip bir Raman fiber lazerdir. Standart kuvars lifleri yerine Raman üretimi ve amplifikasyonu için florür cam liflerinin kullanıldığı bilimsel araştırmalarda uygulama bulmuştur.

Ancak, kural olarak, lifler, çekirdekte nadir toprak katkılı kuvars camdan yapılır. Ana katkı maddeleri iterbiyum ve erbiyumdur. İterbiyum, 1030 ila 1080 nm arasında dalga boylarına sahiptir ve daha geniş bir aralıkta yayılabilir. 940 nm diyot pompalamanın kullanılması foton açığını önemli ölçüde az altır. İterbiyum, neodimyumun yüksek yoğunluklarda sahip olduğu kendi kendini söndürme etkilerinden hiçbirine sahip değildir, bu nedenle neodimyum toplu lazerlerde ve iterbiyum fiber lazerlerde kullanılır (her ikisi de kabaca aynı dalga boyunu sağlar).

Erbium, gözler için güvenli olan 1530-1620 nm aralığında yayar. Diğer fiber lazer türleri için mevcut olmayan 780 nm'de ışık üretmek için frekans iki katına çıkarılabilir. Son olarak, erbiyuma, elementin emeceği şekilde iterbiyum eklenebilir.radyasyon pompalar ve bu enerjiyi erbiyuma aktarır. Thulium başka bir yakın kızılötesi katkı maddesidir ve bu nedenle göze zarar vermeyen bir malzemedir.

Yüksek verimlilik

Fiber lazer, yarı üç seviyeli bir sistemdir. Pompa fotonu, temel durumdan üst seviyeye geçişi heyecanlandırır. Lazer geçişi, üst seviyenin en alt kısmından bölünmüş zemin durumlarından birine geçiştir. Bu çok verimlidir: örneğin, 940 nm'lik bir pompa fotonlu iterbiyum, dalga boyu 1030 nm olan ve sadece yaklaşık %9'luk bir kuantum kusuru (enerji kaybı) olan bir foton yayar.

Aksine, 808nm'de pompalanan neodimyum, enerjisinin yaklaşık %24'ünü kaybeder. Bu nedenle, bazı fotonların kaybı nedeniyle tümü elde edilemese de, iterbiyum doğası gereği daha yüksek bir verimliliğe sahiptir. Yb birkaç frekans bandında pompalanabilirken erbium 1480 veya 980 nm'de pompalanabilir. Daha yüksek frekans, foton kusuru açısından o kadar verimli değildir, ancak 980nm'de daha iyi kaynaklar bulunduğundan bu durumda bile yararlıdır.

Genel olarak, bir fiber lazerin verimliliği iki aşamalı bir sürecin sonucudur. İlk olarak, bu pompa diyotunun verimliliğidir. Tutarlı radyasyonun yarı iletken kaynakları, bir elektrik sinyalini optik bir sinyale dönüştürmede %50 verimlilikle çok verimlidir. Laboratuvar çalışmalarının sonuçları, %70 veya daha fazla bir değere ulaşmanın mümkün olduğunu göstermektedir. Çıkış radyasyon hattının tam eşleşmesiylefiber lazer emilimi ve yüksek pompa verimliliği.

İkinci, optik-optik dönüştürme verimliliğidir. Küçük bir foton kusuru ile, %60-70'lik bir opto-optik dönüştürme verimliliği ile yüksek derecede uyarma ve çıkarma verimliliği elde edilebilir. Ortaya çıkan verimlilik %25–35 aralığındadır.

Çeşitli konfigürasyonlar

Sürekli radyasyonun fiber optik kuantum jeneratörleri tek veya çok modlu olabilir (enine modlar için). Tek modlu lazerler, atmosferde çalışan veya ışınlayan malzemeler için yüksek kaliteli bir ışın üretirken, çok modlu endüstriyel fiber lazerler yüksek güç üretebilir. Bu, kesme ve kaynaklama için ve özellikle geniş bir alanın aydınlatıldığı ısıl işlem için kullanılır.

Uzun darbeli fiber lazer, esasen, tipik olarak milisaniye tipi darbeler üreten yarı sürekli bir cihazdır. Tipik olarak, görev döngüsü %10'dur. Bu, örneğin darbeli delme için kullanılan sürekli moddan (tipik olarak on kat daha fazla) daha yüksek bir tepe gücü ile sonuçlanır. Frekans, süreye bağlı olarak 500 Hz'e ulaşabilir.

Fiber lazerlerdeki Q-anahtarlama, toplu lazerlerdekiyle aynı şekilde çalışır. Tipik darbe süresi, nanosaniye ila mikrosaniye aralığındadır. Fiber ne kadar uzun olursa, çıkışı Q-anahtarlamak o kadar uzun sürer ve bu da daha uzun bir darbe ile sonuçlanır.

Fiber özellikleri, Q-anahtarlamaya bazı kısıtlamalar getirir. Bir fiber lazerin doğrusal olmaması, çekirdeğin küçük kesit alanı nedeniyle daha önemlidir, bu nedenle tepe gücü biraz sınırlı olmalıdır. Ya daha iyi performans sağlayan volumetrik Q anahtarları ya da aktif parçanın uçlarına bağlanan fiber modülatörler kullanılabilir.

Q-anahtarlı darbeler fiberde veya bir boşluk rezonatöründe yükseltilebilir. İkincisinin bir örneği, bir iterbiyum fiber lazerin 192 ışın için ana osilatör olduğu Ulusal Nükleer Test Simülasyon Tesisinde (NIF, Livermore, CA) bulunabilir. Büyük katkılı cam levhalardaki küçük darbeler megajoule yükseltilir.

Kilitli fiber lazerlerde, tekrarlama oranı, diğer mod kilitleme şemalarında olduğu gibi kazanç malzemesinin uzunluğuna bağlıdır ve darbe süresi, kazanç bant genişliğine bağlıdır. En kısaları 50 fs aralığında ve en tipikleri 100 fs aralığındadır.

erbiyum ve iterbiyum lifleri arasında önemli bir fark vardır, bunun sonucunda farklı dağılım modlarında çalışırlar. Erbiyum katkılı lifler, anormal dağılım bölgesinde 1550 nm'de yayar. Bu soliton üretimine izin verir. İterbiyum lifleri, pozitif veya normal dağılım bölgesindedir; sonuç olarak, belirgin bir doğrusal modülasyon frekansına sahip darbeler üretirler. Sonuç olarak, darbe uzunluğunu sıkıştırmak için bir Bragg ızgarası gerekebilir.

Özellikle ultra hızlı pikosaniye çalışmaları için fiber lazer darbelerini değiştirmenin birkaç yolu vardır. Fotonik kristal lifler, süper süreklilik oluşumu gibi güçlü doğrusal olmayan etkiler üretmek için çok küçük çekirdeklerle yapılabilir. Buna karşılık, yüksek güçlerde doğrusal olmayan etkilerden kaçınmak için fotonik kristaller çok büyük tek modlu çekirdeklerle de yapılabilir.

Esnek büyük çekirdekli fotonik kristal fiberler, yüksek güçlü uygulamalar için tasarlanmıştır. Bir teknik, yalnızca temel enine modu korurken, istenmeyen yüksek dereceli modları ortadan kaldırmak için böyle bir fiberi kasıtlı olarak bükmektir. Doğrusal olmama, harmonikler yaratır; frekansları çıkararak ve ekleyerek, daha kısa ve daha uzun dalgalar oluşturulabilir. Doğrusal olmayan efektler ayrıca darbeleri sıkıştırarak frekans taraklarına neden olabilir.

Süper süreklilik kaynağı olarak, çok kısa darbeler, kendi kendine faz modülasyonu kullanarak geniş bir sürekli spektrum üretir. Örneğin, bir iterbiyum fiber lazerin oluşturduğu 1050 nm'deki ilk 6 ps darbelerinden, ultraviyole ila 1600 nm'den daha yüksek bir aralıkta bir spektrum elde edilir. Başka bir süper süreklilik IR kaynağı, 1550 nm'de bir erbiyum kaynağı ile pompalanır.

Yüksek güç

Endüstri şu anda fiber lazerlerin en büyük tüketicisidir. Güç şu anda yüksek talep görüyor.otomotiv endüstrisinde kullanılan yaklaşık bir kilovat. Otomotiv endüstrisi, dayanıklılık gereksinimlerini karşılamak ve daha iyi yakıt ekonomisi için nispeten hafif olmak için yüksek mukavemetli çelik araçlara doğru ilerliyor. Örneğin sıradan takım tezgahları için bu tür çeliklerde delik açmak çok zordur, ancak uyumlu radyasyon kaynakları bunu kolaylaştırır.

Fiber lazerle metalleri kesmek, diğer kuantum jeneratör türlerine kıyasla bir takım avantajlara sahiptir. Örneğin, yakın kızılötesi dalga boyları metaller tarafından iyi emilir. Işın fiber üzerinden iletilebilir, bu da robotun kesme ve delme sırasında odağı kolayca hareket ettirmesine olanak tanır.

Fiber, en yüksek güç gereksinimlerini karşılar. 2014 yılında test edilen bir ABD Donanması silahı, tek bir ışında birleştirilen ve şekillendirici bir optik sistem aracılığıyla yayılan 6 fiber 5.5-kW lazerlerden oluşuyor. 33 kW'lık ünite, insansız bir hava aracını imha etmek için kullanıldı. Işın tek modlu olmasa da, sistem ilginçtir çünkü standart, hazır bileşenlerden kendi ellerinizle bir fiber lazer oluşturmanıza olanak tanır.

IPG Photonics'in sunduğu en yüksek güçlü tek modlu uyumlu ışık kaynağı 10 kW'dır. Ana osilatör, diğer fiber lazerlerden gelen ışıkla 1018 nm'de pompalanan amplifikatör aşamasına beslenen bir kilovat optik güç üretir. Tüm sistem iki buzdolabı büyüklüğünde.

Fiber lazerlerin kullanımı aynı zamanda yüksek güçlü kesme ve kaynağa da yayılmıştır. Örneğin, değiştirdilerçelik sacın direnç kaynağı, malzeme deformasyonu problemini çözer. Gücü ve diğer parametreleri kontrol etmek, özellikle köşeler olmak üzere eğrilerin çok hassas bir şekilde kesilmesini sağlar.

En güçlü çok modlu fiber lazer - aynı üreticiden bir metal kesme makinesi - 100 kW'a ulaşır. Sistem, tutarsız bir ışın kombinasyonuna dayanmaktadır, bu nedenle ultra yüksek kaliteli bir ışın değildir. Bu dayanıklılık, fiber lazerleri endüstri için çekici hale getirir.

Beton delme

4KW çok modlu fiber lazer, beton kesme ve delme için kullanılabilir. Bu neden gerekli? Mühendisler mevcut binalarda depreme dayanıklılık sağlamaya çalışırken beton konusunda çok dikkatli olmak gerekiyor. İçine çelik takviye takılırsa, örneğin geleneksel darbeli delme betonu çatlatabilir ve zayıflatabilir, ancak fiber lazerler betonu kırmadan kesebilir.

Q-anahtarlı fiberli kuantum jeneratörleri, örneğin işaretleme veya yarı iletken elektroniklerin üretiminde kullanılır. Ayrıca telemetrelerde de kullanılırlar: el boyutundaki modüller, 4 kW gücünde, 50 kHz frekansında ve 5-15 ns darbe genişliğinde, göze zarar vermeyen fiber lazerler içerir.

Yüzey işleme

Mikro ve nano işleme için küçük fiber lazerlere büyük ilgi var. Yüzey tabakasını çıkarırken darbe süresi 35 ps'den kısa ise malzemede sıçrama olmaz. Bu, depresyonların oluşumunu engeller vediğer istenmeyen eserler. Femtosaniye darbeleri, dalga boyuna duyarlı olmayan ve çevredeki alanı ısıtmayan doğrusal olmayan etkiler üreterek, çevredeki alanlarda önemli bir hasar veya zayıflama olmadan çalışmaya olanak tanır. Ek olarak, delikler yüksek derinlik-genişlik oranlarında kesilebilir, örneğin 1 MHz'de 800 fs darbeler kullanarak 1 mm paslanmaz çelikte hızlı (milisaniyeler içinde) küçük delikler açmak gibi.

İnsan gözü gibi şeffaf malzemelerin yüzey işlemlerinde de kullanılabilir. Oküler mikrocerrahide bir flep kesmek için, femtosaniye darbeleri, oküler yüzeyin altındaki bir noktada, yüzeye herhangi bir zarar vermeden, ancak kontrollü bir derinlikte oküler materyali tahrip etmeden, yüksek diyafram açıklığına sahip bir objektif tarafından sıkıca odaklanır. Görme için gerekli olan korneanın pürüzsüz yüzeyi bozulmadan kalır. Alttan ayrılan kanat daha sonra yüzey excimer lazer lens oluşumu için yukarı çekilebilir. Diğer tıbbi uygulamalar arasında dermatolojide sığ penetrasyon cerrahisi ve bazı optik koherens tomografi türlerinde kullanım yer alır.

Femtosaniye lazerler

Femtosaniye kuantum jeneratörleri, bilimde lazer arızalı uyarma spektroskopisi, zamanla çözümlenmiş floresan spektroskopisi ve genel malzeme araştırmaları için kullanılır. Ayrıca femtosaniye frekansının üretimi için de gereklidirler.metroloji ve genel araştırmalarda ihtiyaç duyulan taraklar. Kısa vadede gerçek uygulamalardan biri, yeni nesil GPS uyduları için atomik saatler olacak ve bu da konumlandırma doğruluğunu artıracak.

Tek frekanslı fiber lazer, 1 kHz'den daha az spektral çizgi genişliği ile üretilir. Çıkış gücü 10mW ile 1W arasında değişen etkileyici derecede küçük bir cihazdır. İletişim, metroloji (örneğin fiber jiroskoplarda) ve spektroskopi alanında uygulama bulur.

Sırada ne var?

Diğer Ar-Ge uygulamalarına gelince, çok daha fazlası araştırılıyor. Örneğin, uyumlu veya spektral kombinasyon kullanarak yüksek kaliteli bir ışın elde etmek için fiber lazer ışınlarının birleştirilmesinden oluşan, diğer alanlara uygulanabilen askeri bir gelişme. Sonuç olarak, tek modlu ışında daha fazla güç elde edilir.

Fiber lazerlerin üretimi, özellikle otomotiv endüstrisinin ihtiyaçları için hızla büyüyor. Fiber olmayan cihazlar da fiber olanlarla değiştiriliyor. Maliyet ve performanstaki genel iyileştirmelere ek olarak, femtosaniye kuantum üreteçleri ve süper süreklilik kaynakları giderek daha pratik hale geliyor. Fiber lazerler daha niş hale geliyor ve diğer lazer türleri için bir iyileştirme kaynağı haline geliyor.